[發明專利]用于電池的直接電池單元連接的系統和方法

有效

• 申請號: 201310311285.6
• 申請日: 2013-07-23
• 公開（公告）號: CN103580096B
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 發明（設計）人: K·卡德沃三世;S·哈勒爾;B·路舒晨
• 申請（專利權）人: 德克薩斯儀器股份有限公司
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

本發明涉及用于電池的直接電池單元連接的系統和方法。在此公開的用于電池單元的直接電池單元連接的系統和方法的實施例在無保護FET和保護IC的情況下操作，從而使電池單元能夠直接連接到系統，而不犧牲安全性。充電器IC包括開關調節器，其輸出用于通過傳遞器件對電池進行充電。在所公開的直接電池單元連接的系統和方法的示例性實施例中，開關FET和傳遞器件的組合被用作保護器件，而不是充電和放電FET。在正常操作期間，傳遞器件可以用于使用傳統的電池充電模式對電池進行充電。在故障狀況下，可以適當地驅動開關FET和傳遞器件，以保護系統。

相關申請的交叉引用

本申請要求2012年7月25日提交的美國臨時專利申請61/675,617的利益，其通過引用合并到此。

技術領域

本公開總體涉及電池，更具體地，涉及電池組保護。

背景技術

鋰離子(Li-ion)已成為諸如智能手機和筆記本電腦的消費電子設備的主要可再充電電池化學成分，并且對于工業、運輸和電力儲存應用來說變得很常用。鋰離子電池化學成分在許多方面不同于其他可再充電電池化學成分，例如鎳金屬氫化物[NiMH]、鎳鎘[NiCad]和鉛酸。從技術角度來看，由于高能量密度，鋰離子技術已用于整個便攜式設備家族，例如智能手機。從安全角度來看，高能量密度加上易燃有機物而不是傳統的水電解質已產生了諸多保護挑戰。具體挑戰包括含有鋰離子電池單元的電池設計以及這些電池的存儲和處理。

單個鋰離子電池單元將具有一安全的電壓范圍，它可以在該電壓范圍上循環，該電壓范圍由具體的電池單元化學成分確定。安全的電壓范圍將是如下范圍，在該范圍內，電池單元電極不會由于鋰電鍍、銅溶解或其他不希望的反應而快速退化。對于大多數電池單元，顯著高于100％充電狀態的充電會導致電極的快速放熱退化。充電高于制造商的高電壓規格被稱為過充電。因為過充電會導致劇烈的熱失控反應，因此許多過充電保護設備被設計到或包括在鋰離子電池組的電子保護封裝中。

鋰離子電池(或電池組)是由一個或多個單個電池以及它們關聯的保護電子電路制成。通過并聯連接電池單元，設計師增加了電池組容量。通過串聯連接電池單元，增加了電池組電壓。

通常，能量失效導致熱失控。電池單元熱失控是指由高度氧化的正電極和高度還原的負電極的放熱化學反應導致的電池單元的快速自加熱；它可以在幾乎任何化學成分的電池中發生。

如果過熱或過充電，則鋰離子電池可能會遭受熱失控和電池單元破裂。在極端的情況下，這會導致燃燒。深放電可能使電池單元短路，在這種情況下，再充電將會不安全。為了減少這些風險，鋰離子電池組包含失效安全電路，當電池的電壓在每電池單元3-4.2V的安全范圍之外時，該失效安全電路關閉電池。當長時間存放時，保護電路本身消耗的小電流可能將電池耗盡到其關閉電壓以下；正常的充電器則不起作用。許多類型的鋰離子電池單元在0℃以下不能安全充電。

與電池組一起的主要部件是電池管理電路。通常，電池管理模塊(BMU)由充電器和燃料計組成(圖1)。鋰離子電池組本身由鋰離子電池單元、保護IC和保護FET(充電(CHG)和放電(DSG))組成。保護電路占用電池單元內的有用空間，增加了額外的失效點，并且當被激活時不可逆地禁用電池單元。它們是必需的，因為在使用過程中陽極產生熱量，而陰極可能產生氧氣。這些器件和改進的電極設計減少/消除了火災或爆炸的風險。另外，與鎳金屬氫電池相比，這些特征增加了成本，因為鎳金屬氫電池僅需要氫/氧復合器件(防止由于輕微的過充電而導致的損壞)和備用壓力閥。

保護IC的功能是，當鋰離子電池單元電壓或電流跨過臨界安全閾值時，打開保護開關并且將鋰離子電池組從系統分離。各種臨界閾值包括在充電期間的過流、在放電期間的過流、在充電期間的過壓、在放電期間的欠壓、在放電期間的短路、溫度過高和反向電流。